Simulationsbasierte Analyse Von ESD Schutzelementen Auf .

Simulationsbasierte Analyse von ESD Schutzelementenauf Systemebene#2#1#3#2#2Bastian Arndt , Friedrich zur Nieden ,Yiqun Cao , Felix Mueller , Johannes Edenhofer ,#1Stephan Frei ,#1TU Dortmund, Friedrich-Wöhler-Weg 4, 44227 Dortmund, Germany#2Continental Automotive GmbH, Osterhofener Straße O14, 93055 Regensburg, Germany#31Infineon Technologies, Am Campeon 1-12, 85579 Neubiberg, GermanyEinleitungESD können in elektronischen Schaltungen irreparable Schäden hervorrufen.Gesetzliche Anforderung oder spezielle Ansprüche von Kunden können meist nurdurch den Einsatz zusätzlicher diskreter ESD-Schutzelemente auf den Platinen unddurch die Modifikation der Platinen selbst erfüllt werden. Da die zur Schädigungführenden Effekte nur schwer im Detail zu verstehen sind, wird bei der Wahl vonSchutzmaßnahmen oft mit größerem Material- und Kostenaufwand gearbeitet. Esbesteht die Gefahr, dass der Schutz dann besser und auch kostspieliger alsnotwendig ist.Das Verhalten von Schutzschaltungen hängt von vielen Faktoren ab. DieWirksamkeit kann meist nur durch aufwendige Versuchsreihen nachgewiesenwerden. Eine Simulation der zu erwartenden Bedingungen bietet eine schnelle undkostengünstige Möglichkeit, die ESD-Festigkeit zu bestimmen, und erlaubt eszudem, die notwendigen Schutzstrukturen an den jeweiligen Anwendungsfall optimalanzupassen.Bei der Betrachtung der zur Zerstörung führenden Effekte wird bisher aufgrund derKomplexität meist nur ein Ausschnitt der betroffenen Pulsausbreitungskettebetrachtet. Der nachfolgende Beitrag stellt daher eine Simulationsmethode dergesamten Kette vor. Zu den Einflussfaktoren auf die Wirksamkeit vonSchutzelementen gehören unter anderem die Impedanzverhältnisse des zuschützenden ICs, die passiven Bauelemente im ESD-Strompfad, dieMasseverhältnisse und die Platinenstrukturen. Der Schwerpunkt dieses Beitrags liegtauf der Analyse der Wirksamkeit von Schutzelementen in kModelle von SchutzelementenDie ESD Festigkeit von elektronischen Schaltungen und IC Eingänge genügt oft nichtden geforderten Grenzwerten. Deshalb werden diskrete Bauteile auf PCB-Ebeneeingesetzt, um diese Belastbarkeit zu erhöhen.Eine gängige Methode für die Modellierung dieser Bauelemente ist eine Kombinationaus diskreten Grundelementen [1]. Erweiterte Ansätze für die Modellierungnichtlinearer Elemente werden in [2, 3] vorgestellt.

2.2Modellierung des SteckersElektronische Schaltungen sind meist mittels Stecker mit ihrer Umgebungverbunden. Im verbauten Zustand erreicht ein Grossteil der ESD Ereignisse dieseSchaltungen über diesen Stecker. Aufgrund seiner mechanischen Beschaffenheitund Größe kann diese Stecker vereinfacht als serielle Induktivität angenommenwerden und wird im Folgenden so behandelt. Die Induktivität in Abhängigkeit von derLeiterlänge im Stecker kann wie folgt angenommen werden:LStec ker Länge 2.3µHmModellierung von PCBFür eine genauere Betrachtung des Einflusses der PCB Übertragungsstrecke wurdenzwei Simulationsansätze gewählt. Die erste Methode ist ein Simulationsmodell,welches auf vorhandenen CAD (Layout) Daten beruht, hiermit können relative genaudie Verhältnisse auf der Platine modelliert werden. Der zweite Simulationsansatzbasiert auf einer Abbildung der Leiterbahnen auf vergleichsweise einfacheLeitungsmodelle. Dieser Modellierungsansatz ist trotz seiner Einfachheit für diemeisten Strukturen sehr genau. Anhand von Beispielen sollen die genanntenMöglichkeiten der PCB Modellierung gezeigt werden. Abbildung 1 zeigt ein typischesPCB für ein Kfz-Steuergerät mit sechs Lagen und einer Abmessung von160 mm x 160 mm. Für die hier gezeigten Untersuchungen wird derÜbertragungspfad von Punkt A1 zum Punkt IC betrachtet, welcher einen 8 ALeistungsausgang (IC) eines ICs mit einem Steckerpin (A1) verbindet. Zusätzlich isteine Messleitung von einem Steckerpin (K1) mit dem Punkt X verbunden.XICK1A1Abbildung 1. Leiterbahntopologie eines typischen Automobil-PCB

2.3.1 3D PEEC Modellierung mittels CAD-DatenDie Layoutdaten einer Platine können mit speziellen 3D-Feldlöser zu äquivalentenModellen für die Schaltungssimulation umgewandelt werden. Hier wurde dieSoftware PCBmod von SimLab [4] verwendet. Aus den CAD-Daten wird ein Netzerstellt (Abbildung 2). Ein auf diesem Netz basierendes Modell repräsentiert diephysikalischen Eigenschaften des PCB. Mithilfe dieses Modells können sowohl dasÜberkoppeln verschiedener Leitungen abgebildet werden, als auch dasDämpfungsverhalten und dielektrische Verluste simuliert werden.Abbildung 2. Berechnungsnetz eines Automotive PCBEin S-Parameter-Modell kann in ein Spice kompatibles Modell fürZeitbereichssimulationen umgewandelt werden. Mithilfe eines Matlab Skriptes istauch die Umwandlung in eine VHDL-AMS konforme Syntax möglich. DiesesVorgehen ermöglicht es, Modelle von beliebigen PCB Strukturen zu erstellen. DieseSpice- bzw. VHDL-AMS-kompatiblen Modelle lassen sich sowohl im Frequenz- alsauch im Zeitbereich einsetzen.2.3.2 Modellierung mithilfe von StreifenleitungenDa der numerische Ansatz sehr aufwendig ist, kann auf eine Abschätzung derLeitungstopologie zurückgegriffen werden. Abhängig vom Lagenaufbau des PCBkann die Impedanz analytisch errechnet werden [5]. Impedanzen für Top und BottomLayer können mithilfe von Berechnungsmodellen für Streifenleitungen bestimmtwerden. Gleichung (1) gibt die analytische Abschätzung für eine Streifenleitungwieder. Analog hierzu beruht das Vorgehen für die inneren Lagen aufBerechnungsmodellen für eingebettete Streifenleitungen. Deren Verhalten kann mitGleichung (2) beschrieben werden.

Impedanz einer Streifenleitung: hh ln γ 1 2 b beqeq 60Z0 E eff 2 [Ω ] (1)mitE eff E r 1 E r 1 10 h 1 22beq beq b b2 1 1 cosh E 1r ( t b ln 1 π ) α β 4 e 2 t t coth 6,517 h h beq 1 h α 1 ln 49 beq h mitE r : Dielektrizitätszahlh : Dicke des Dielektrikums beq 52 h 1 ln 1 1 beq 18,74 18,1 h 0,432 4 E r 0,9 Er 3 2b : Breite der Streifenleitung 3 t : Höhe der Streifenleitung0 , 053β 0,564 γ 6 (2 π 6 ) e h 30 , 666 beq 0 , 7528 Impedanz einer eingebetteten Streifenleitungen:30 ln 1 α 2 α 4 α 2 6,27 [Ω]Z0 Er[)]((2)mitα h dπ b b4 dd (h d ) 1 b h 1 ln h d 2 2 dπ 1 h h m 2d 21 hd 3 1 h 2d 0,00796 h d b 1,1 h hm mitE r : Dielektrizitätszahlh : Dicke des Dielektrikumsb : Breite der Streifenleitungt : Höhe der Streifenleitungl : Länge der Streifenleitung

Aufgrund der so errechneten Impedanzen kann eine Verkettung unterschiedlicherLeitungstopologie erstellt werden, welche vom jeweiligen Lagenaufbau,Leiterbahnführung und Länge abhängt. Für die Übertragungsstrecke von A1 bis ICergeben sich 0161A1bis XX bisICK1bis XImpedanz/Ohm12123721376782462.3.3 Vergleich der Modellierungsmethoden für PCB-Strukturen:Mithilfe von Messungen im Frequenzbereich kann die Qualität der zuvor erstelltenModelle verifiziert werden. Abbildung 3 zeigt einen Vergleich von gemessenen undsimulierten S12 Parametern. Hierbei zeigt sich, dass die auf CAD-Daten beruhendenModelle vor allem im GHz-Bereich relativ genau sind. Im unteren Frequenzbereich,der für Energiebetrachtungen wichtig ist, ist hingegen das analytische Modellgenauer.S12 Parameter Messung vs. SimulationA1 to IC100000Impedanz1000010001001010.11.E 051.E 061.E 071.E 081.E 091.E 10f in HzMessung S12Simulation CAD DatenSimulation LeitungstopologieAbbildung 3. Vergleich von Simulations- und Messergebnissen, S12 Parametern einesAutomotive PCB3MesstechnikEin IEC-ESD-Generator von Noiseken (ESS-2000) wird verwendet, um denSpannungsverlauf auf einem PCB unter ESD Belastung zu messen. Mittels einer aufdas PCB gelöteten SMA Buchse kann der Spannungsverlauf an geeigneter Stelle aufdem PCB abgegriffen und einem Oszilloskop zugeleitet werden. Der um 60 dBgedämpfte Spannungsverlauf wird mittels eines 6 GHz Oszilloskop von LeCroy

gemessen (SDA 6000A). Abbildung 4 zeigt einen schematischen Aufbau derverwendeten Geräte.Abbildung 4. Messaufbau zur Untersuchung verschiedener ESD Schutzelemente4Ergebnisse - Anwendung der MethodikMit den zuvor modellierten Systemkomponenten soll gezeigt werden, dass eineSystemsimulation möglich ist. Abbildung 5 zeigt den verwendeten Aufbau für dieÜberprüfung.Abbildung 5. Setup einer IEC-ESD-Generator-Entladung in eine elektronischeSchaltungAm Punkt A1 wird mit einem IEC-ESD Generator (150 pF, 330 Ohm, Kontakt) ein4 kV Puls eingespeist. Um die Wirksamkeit verschiedener Schutzbauteile zuermitteln, werden am Punkt A1 unterschiedliche Elemente kontaktiert. Bei diesenBauteilen handelt es sich nachfolgend immer um SMD Bauteile der Bauform 0603.Zur Verifikation der Schutzeigenschaften des PCB wurde eine Messung bzw.Simulation ohne Schutzelement durchgeführt.

Schutzelementekein Schutzelement470 pF Kondensator X7R Epcos6,8 nF Kondensator X7R EpcosCT0603K14G VaristorTS4148 DiodeSpitzenspannung375 V250 V70 V75 V75 VAm Punkt IC1 wird die durch die Entladung erzeugte Spannung mittels einesOszilloskops gemessen. Dies entspricht einem IC Eingang mit 50 Ohm Impedanz.Abbildung 6 bis Abbildung 10 stellen die Simulations- und Messergebnisse diesesVergleiches gegenüber. Hierbei zeigt sich, dass sowohl die durchÜbertragungsleitungen abgeschätzte Modellierung als auch die auf Layoutdatenberuhende Modellierung das Übertragungsverhalten gut widerspiegelt. Bei einem6,8 nF Kondensator als Schutzelement ergibt sich eine Spitzenspannung von 70 V.Bei einem 470 pF Kondensator werden 250 V erreicht. Bei diesem Kondensator isteine Abweichung zwischen Simulation und Messung im Zeitbereich von 50 ns bis125 ns zu erkennen. Dies kann auf eine Spannungsabhängigkeit der Kapazitätzurückgeführt werden, welche in der Simulation nicht berücksichtigt wurde. OhneSchutzelement stellt sich eine Spannung von 375 V ein. Bei den nichtlinearenSchutzelementen, dem Varistor CT0603K14G und der Diode TS4148 stellen sichSpitzenspannungen von rund 75V. Die Scheitelspannungen werden von denjeweiligen Modellen gut wiedergegeben. Die Abweichungen während der ersten nsder Entladung sind auf ein nicht ausreichend genaues Modell des IEC ESDGenerators zurückzuführen.IEC ESD Generatorentladung ohne Schutzelement(0nF)400350voltage in e in ns121722-50 05555001-0Messung0Simulation CAD Daten102itmeinn0sSimulation Leitungstopologie304050Abbildung 6. Vergleich von Simulations- und Messergebnissen einer IEC-ESDGenerator Entladung in eine elektronische Schaltung ohne Schutzelement

IEC ESD Generatorentladung in einen Kondensator(470pF)400350voltage in e in ns1217250 0552-55001-0MessungSimulation CAD Daten0102itmeinn0sSimulation Leitungstopologie304050Abbildung 7. Vergleich von Simulations- und Messergebnissen einer IEC-ESDGenerator Entladung in eine elektronische Schaltung mit einem Kondensator (470 pF)als SchutzelementIEC ESD Generatorentladung in einen Kondensator(6.8nF)400350voltage in e in ns121722-50 05555001-0Messung0Simulation CAD Daten102itmeinn0sSimulation Leitungstopologie304050Abbildung 8. Vergleich von Simulations- und Messergebnissen einer IEC-ESDGenerator Entladung in eine elektronische Schaltung mit einem Kondensator (6,8 nF)als Schutzelement

IEC ESD Generator Entladung in einen Varistor(CT0603K14G)400350300voltage in V250200150100500-50-25121722-0255050 0555575100125150175200time in ns001-0MessungSimulation CAD Daten0102itmein0nsSimulation Leitungstopologie304050Abbildung 9. Vergleich von Simulations- und Messergebnissen einer IEC-ESDGenerator Entladung in eine elektronische Schaltung mit einem Varistor(CT0603K14G) als SchutzelementIEC ESD Generator Entladung in eine Diode(TS4148)400350300voltage in V250200150100500-50-250255075100125150175200time in ns1 2 51 007 55 02 50-2 5-1 0Simulation CAD Daten01 0Simulation Leitungstopologie2 03 04 05 0itm e in n sAbbildung 10. Vergleich von Simulationsergebnissen einer IEC-ESD-GeneratorEntladung in eine elektronische Schaltung mit eine Diode (TS4148) als Schutzelement